(57)【要約】本発明は、コンピュータ支援により工作機械の端部要素を制御する方法に関する。この方法は、光学測定システム（４１０）により、工作機械の作業環境内の複数の光学マーカ（１１４）を検出するステップ（２１０）を含む。この方法は、検出された複数の光学マーカ（１１４）に基づいて、端部要素と工作物（１１１，１１１ａ，１１１ｂ）との間の第１の相対姿勢を決定するステップ（２２０）を含む。この方法は、第１の相対姿勢と基準姿勢との比較に基づいて第１の補正値を決定するステップ（２３０）を含む。この方法は、第１の補正値を考慮して、工作物（１１１，１１１ａ，１１１ｂ）を加工するための端部要素を制御するステップ（２４０）を含む。
2019526127.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
コンピュータ支援により工作機械の端部要素を制御する方法であって、
光学測定システム（４１０）により、工作機械の作業環境内の複数の光学マーカ（１１４）を検出するステップ（２１０）と、
検出された複数の光学マーカ（１１４）に基づいて、前記端部要素と工作物（１１１，１１１ａ，１１１ｂ）との間の第１の相対姿勢を決定するステップ（２２０）と、
前記第１の相対姿勢と基準姿勢との比較に基づいて、第１の補正値を決定するステップ（２３０）と、
前記第１の補正値を考慮して、前記工作物（１１１，１１１ａ，１１１ｂ）を加工するための前記端部要素を制御するステップ（２４０）と、
を有する方法。
【請求項２】
前記複数の光学マーカ（１１４）が、カメラシステムを有する前記光学測定システム（４１０）によって検出される、請求項１記載の方法。
【請求項３】
前記光学マーカが、前記工作機械の構成要素及び前記工作物の少なくとも一方に配置される、請求項１又は２記載の方法。
【請求項４】
前記複数の光学マーカ（１１４）の少なくとも３つの光学マーカが、前記工作機械の構成要素の１つ又は前記工作物（１１１，１１１ａ，１１１ｂ）に取り付けられる、請求項１から３のいずれか１項に記載の方法。
【請求項５】
前記作業環境内の前記光学マーカに基づいて第１の空間的位置を決定し、
前記端部要素について第２の空間的位置を決定し、
前記第１の空間的姿勢を決定する際に、前記第２の空間的位置及び前記第１の空間的位置の少なくとも一方を考慮する、請求項１から４のいずれか１項に記載の方法。
【請求項６】
前記工作物（１１１，１１１ａ，１１１ｂ）と、前記検出される複数の光学マーカ（１１４）との間に、第１の可動軸があり、
前記第１の相対姿勢を決定する際に考慮される位置情報が、第１の軸内センサモジュールによって決定される、請求項１から５のいずれか１項に記載の方法。
【請求項７】
前記端部要素を制御する際に、第２の可動軸（Ａ２）が制御され、前記第２の可動軸（Ａ２）により前記端部要素が工作機械に配置されている、請求項１から６のいずれか１項に記載の方法。
【請求項８】
前記光学測定システムが前記端部要素に堅固に結合されている、請求項１から７のいずれか１項に記載の方法。
【請求項９】
前記端部要素が工具に堅固に結合されているか、又は工具が第３の可動軸を介して前記端部要素に結合されており、前記第３の可動軸が、特に一方向に移動可能である、請求項１から８のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１０】
前記光学測定システムにより、前記工作機械による前記工作物（１１１，１１１ａ，１１１ｂ）の加工終了後に、前記工作物（１１１，１１１ａ，１１１ｂ）の第１のジオメトリ値を検出し、
前記第１のジオメトリ値および予め与えられたジオメトリ値に基づいて、第２の補正値を算定し、
前記第２の補正値を、次の工作物のための前記第１の補正値を決定する際に考慮する、請求項１から９のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１１】
前記第１の補正値により、前記工作機械及び前記端部要素の少なくとも一方が、前記工作物としての患者の体内又は身体表面の決められた部位に突き当たるように制御される、請求項１から１０のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１２】
コンピュータ支援により工作機械の端部要素を制御する制御装置であって、
前記工作機械の作業環境内の複数の光学マーカを検出する光学測定システム（４１０）と、
前記検出された複数の光学マーカ（１１４）に基づいて前記端部要素と工作物（１１１，１１１ａ，１１１ｂ）との間の第１の相対姿勢を決定すると共に、前記第１の相対姿勢と基準姿勢との比較に基づいて第１の補正値を決定する第１の算定モジュール（４２０）と、
前記第１の補正値を考慮して、前記工作物（１１１，１１１ａ，１１１ｂ）を加工するための端部要素を制御する第１の制御モジュール（４３０）と、
を有する、制御装置。
【請求項１３】
コンピュータ支援により制御可能である端部要素と、
複数の光学マーカ（１１４）と、
請求項１２記載の制御装置と、
を有する工作機械。
【請求項１４】
前記光学測定システム（４１０）が、前記複数の光学マーカ（１１４）を検出するためのカメラシステムを含む、請求項１３記載の工作機械。
【請求項１５】
前記光学測定システム（４１０）が前記端部要素に堅固に結合されている、請求項１３又は１４記載の工作機械。
【請求項１６】
前記端部要素が工具に堅固に結合されているか、又は前記工具が第３の可動軸を介して前記端部要素に結合されており、前記第３の可動軸が特に一方向に移動可能である、請求項１３から１５のいずれか１項に記載の工作機械。
【請求項１７】
請求項１から１１のいずれか１項に記載の方法を実行するためのプログラム命令を含んだコンピュータプログラム製品。
【請求項１８】
請求項１２記載の制御装置および請求項１３から１６のいずれか１項に記載の工作機械のうちの少なくとも一方を構築するようにプログラム命令により構成設定される作成機器のためのプログラム命令を含むコンピュータプログラム製品。
【請求項１９】
請求項１７又は１８記載のコンピュータプログラム製品のための提供装置であって、
前記コンピュータプログラム製品を記憶するか、提供するか、又は、記憶し提供する、提供装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、工作機械、および工作機械の端部要素を制御する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＣＮＣ機械により工作物を精密に製造するためには、加工過程中、工作物と工具との間の相対的な位置および方向を測定しなければならない。工作物の加工時に、例えば静的な力、動的な力、そして加工に伴う力が発生し、これらの力は機械構造体に作用する。これらの力は、特に、機械構造体の変形および振動励起をもたらし、それとともに、例えば、工具と工作物との間の局所的な変位をもたらす。更に、例えば、機械構造の温度変化が、同様に工具と工作物との間の相対姿勢の変位をもたらす。例えば、工具と工作物との間の姿勢を、例えば機械の運動軸における位置エンコーダを介して間接的に決定することは、公知である。特に、個々の機械構成要素のジオメトリ偏差は、工具と工作物との間の相対姿勢を決定する際に、これらの従来の方法によっては考慮に入れることができない誤差をもたらす。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
本発明の課題は、端部要素をできるだけ高い精度で制御することを可能にする方法および工作機械を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
この課題は、独立の請求項に記載の特徴事項によって解決される。従属の請求項には本発明の有利な実施形態が記載されている。
【０００５】
第１の観点によれば、本発明は、コンピュータ支援により工作機械の端部要素を制御する方法に関し、この方法は、次の方法ステップ、即ち、
光学測定システムにより、工作機械の作業環境内の複数の光学マーカを検出するステップと、
検出された複数の光学マーカに基づいて、端部要素と工作物との間の第１の相対姿勢を決定するステップと、
第１の相対姿勢と基準姿勢との比較に基づいて、第１の補正値を決定するステップと、
第１の補正値を考慮して、工作物を加工するための端部要素を制御するステップと、
を有する。
【０００６】
以下の説明において、他に言及していない限り、「実行する」、「算定する」、「コンピュータ支援」、「計算する」、「確定する」、「生成する」、「構成設定する」、「再構成する」などの用語は、とりわけ、動作、及び／又はプロセス、及び／又は処理ステップに関係しており、データを変更する、及び／又はデータを生成する、及び／又はデータを他のデータへ変換する。この場合に、データは、特に物理量として、例えば電気的なパルスとして、表示することができ、又は存在することができる。特に、「コンピュータ」なる用語は、特に、データ処理特性を有する全ての電子装置を網羅するために、できるだけ広義に解釈すべきである。それ故、コンピュータは、例えばパーソナルコンピュータ、サーバ、ハンドヘルドコンピュータシステム、ポケットＰＣ装置、コンピュータ支援によりデータを処理できる無線機および他の通信装置、プロセッサ、その他の電子データ処理装置であってよい。
【０００７】
「コンピュータ支援」という用語は、本発明との関係において、特に、方法をインプリメントすることであると理解することができ、その方法ではプロセッサが方法の少なくとも１つの方法ステップを実行する。
【０００８】
プロセッサという用語は、本発明との関係において、例えば、機械又は電子回路と理解することができる。プロセッサは、特に、中央処理装置（英語：Ｃｅｎｔｒａｌ  Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ  Ｕｎｉｔ，ＣＰＵ）、マイクロプロセッサ又はマイクロコントローラ、例えば、特定用途向け集積回路又はディジタルシグナルプロセッサ等であってよく、必要に応じて、プログラム命令を記憶するメモリユニットと組み合わされる。プロセッサは、例えば、ＩＣ（集積回路、英語：Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ  Ｃｉｒｃｕｉｔ）、特に、ＦＰＧＡ（フィールドプログラマブルゲートアレイ、英語：Ｆｉｅｌｄ  Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ  Ｇａｔｅ  Ａｒｒａｙ）又はＡＳＩＣ（特定用途向け集積回路、英語：Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ−Ｓｐｅｃｉｆｉｃ  Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ  Ｃｉｒｃｕｉｔ）、又はＤＳＰ（ディジタルシグナルプロセッサ、英語：Ｄｉｇｉｔａｌ  Ｓｉｇｎａｌ  Ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ）であってよい。プロセッサという用語は、仮想プロセッサ又はソフトＣＰＵと理解することもできる。これは、例えば、上述の本発明による方法を実行する設定ステップを装備しているプログラマブルプロセッサであってもよいし、又は、設定ステップにより、プログラマブルプロセッサが、方法、構成要素、セキュリティモジュール、又は本発明の他の観点および部分観点に関する本発明による特徴事項をインプリメントするように設定されているプログラマブルプロセッサであってもよい。
【０００９】
「メモリユニット」という用語は、本発明との関係において、例えば、作業メモリ（ランダムアクセスメモリ、英語：Ｒａｎｄｏｍ−Ａｃｃｅｓｓ  Ｍｅｍｏｒｙ，ＲＡＭ）又はハードディスクドライブ装置と理解することができる。
【００１０】
「モジュール」という用語は、本発明との関係において、例えば、プロセッサ、及び／又はプログラム命令を記憶するためのメモリユニットと理解することができる。例えば具体的に言うならば、プロセッサは、プログラム命令を実行するように構成されていて、プログラム命令の実行により、プロセッサは、本発明による方法又は本発明による方法のステップをインプリメントする機能を実行する。
【００１１】
「作業環境」、特にロボットの「作業環境」という用語は、本発明との関係において、例えば、ロボットの移動空間及び／又はロボットの作業空間と理解することができる。移動空間は、特に、次なる空間を意味する。即ち、例えば、特に端部要素を含めたロボットの可動要素によって、全ての軸運動の総合により、到達できる空間である。特に、移動空間は、例えば、作業空間内において到達することのできる、エンドエフェクタ及び／又は操作対象の特別な形状を考慮する。
【００１２】
「作業空間」、特にロボットの「作業空間」という用語は、本発明との関係において、例えば、全ての主軸をそれぞれの最大位置および最小位置に移動することによって、特に、境界面、及び／又は移動軸、及び／又はエンドファクタによって形成される空間と理解することができる。特に、作業空間は、エンドエフェクタ及び／又は操作対象の特定の形状に関係なく定義されている（又は、これらの観点は、作業空間では考慮されない）。好ましくは、移動空間は少なくとも作業空間と同じ大きさであり、移動空間は作業空間よりも大きくてもよい。
【００１３】
「姿勢」という用語は、本発明との関係において、空間位置と理解することができ、姿勢は、特に空間内の対象物の位置および方向を意味する。特に、姿勢は、３次元空間における位置および方向の組み合わせである。例えば直交座標系と関連して、例えば座標方向ｘ，ｙ，ｚに沿った距離によって、点状の物体の位置が決まる。この物体位置に、例えば、第２の直交座標系を展開するならば、特に、この座標軸の方向は、例えば、その座標軸の、基準座標系の対応軸に対する角度ずれによって決まる。従って、特に、基準座標系に対するその新たな座標系の位置を記述する３つの角度が付加的に必要である。
【００１４】
「可動軸」という用語は、本発明との関係において、例えば工作機械の運動軸又は工作機械の構成要素と理解することができる。特に、工作機械は、例えばロボットであってよく、工作機械は、例えば複数の可動要素（アーム部材）から構成されている。特に、それらの可動要素は、オープン型運動鎖又は並進運動機構を形成する。例えば、運動鎖の場合には、工作機械の各アーム部材が可動関節により工作機械の前述のアーム部材に取り付けられている。特に、可動軸という用語は、例えば可動要素を互いに結合する関節と理解することができる。特に、可動軸、特に関節を介して、例えば端部要素が工作機械に結合されているとよい。好ましくは、可動軸という用語は、例えば工具の駆動（例えば、ドリルの回転駆動）によって生じる軸ではないと理解される。
【００１５】
「端部要素」という用語は、本発明との関係において、例えばエンドエフェクタ、工具軸又は工具ホルダと理解すべきである。工具軸又は工具ホルダは、工作機械の運動鎖の要素であることが好ましい。特に、端部要素は、例えば、手術器具、及び／又は放射線科器具、及び／又は医療器具、例えば注射器、探り針、インプラント、チューブ等であってもよい。
【００１６】
工作機械という用語は、本発明との関係において、例えば、工具により工作物を製造するための機械、例えばロボット、工業用ロボット又は医療用ロボットと理解することができる。特に、工作機械は、例えば医師を支援するために使用することができる支援用医療ロボットであってよい。それによって、特に、端部要素により、手術器具及び／又は放射線科器具及び／又は医療用器具、例えば、注射器、探り針、インプラント、チューブ等の保持及び／又は案内及び／又は導入が可能にされる。これは、例えば、患者の体内又は身体表面の決められた部位の形の工作物に確実に命中させることを可能にし、例えば、医師のルーチン作業の負担を軽減することができる。
【００１７】
「工作物」という用語は、本発明との関係において、例えば、被加工金属片、電子部品と理解することができ、あるいは更に別の意味においては、例えば医療用ロボットによって治療される患者と理解することもできる。
【００１８】
本発明による方法は、特に第１の相対姿勢と基準姿勢との間の誤差が最小化され、又はできるだけ最小になるように、第１の補正値により工作機械を制御するのに、特に有利である。従って、特に、第１の相対姿勢が、次のように補正される。即ち、工作物の加工時の特に望ましくない誤差が、例えば予め与えられた公差範囲内にとどまるか、又はできるだけ完全に防止されるように補正される。
【００１９】
特に、端部要素、例えば工具スピンドルと工作物との間の第１の相対姿勢を直接に決定する画像ベースの方法（特に、光学的方法とも呼ばれる）によって、特に測定システムの費用を著しく低減することができる。
【００２０】
特に、従来の方法に比べて、例えば個々の軸の運動学的な変位のほかに、特に構造部分のジオメトリ誤差も検出することができる。例えば、画像ベースの測定システム、即ち、光学的な測定システムは、例えば工作機械の運転中、制御ループ内に組み込むこともできるし、例えば技術者による工作機械のメンテナンスの際に、特に、オフライン補償機構を較正するために使用することもできる。
【００２１】
本方法は、工作機械の速度およびエネルギー効率への絶えず高まる要求を満たすのに、特に有利である。
【００２２】
特に、本発明による方法は、とりわけ被移動質量が従来の工作機械の場合よりも明らかに小さい工作機械を提供することができ、それにも拘らず、工作機械は、工作物を加工する際に高い精度を達成する。特に、僅かな被移動質量を有する工作機械の構造様式の場合に発生する欠点を補償することができる。既知の欠点は、特に、構成要素の高い撓み易さにある。この撓み易さは、特に、補償することができない位置決め誤差をもたらし、従って工作物の加工時にジオメトリ誤差をもたらす。本発明による方法によって、例えば機械構造部の比較的大きい位置ずれを容認することができる。なぜならば、これは、検出して制御技術的に補償することができるからである。本発明による方法により、特に、高度に動的な軽量設計の工作機械を実現することができる。
【００２３】
本方法の第１の実施形態では、複数の光学マーカが、カメラシステムを有する光学測定システムによって検出される。
【００２４】
本方法は、例えば光学マーカの空間的位置又は端部要素における工具の位置を検出するのに、特に有利である。このために、カメラシステムは、とりわけ少なくとも１つの第１のカメラモジュール及び／又は少なくとも１つの第２のカメラモジュールを含むとよい。光学測定システム、例えばカメラシステムは、特に第１のカメラシステム及び／又は第２のカメラシステムは、例えば、保持要素により端部要素に堅固に結合されているか、又は保持要素により作業環境内の支持台上に堅固に結合されている。特に、カメラシステムは、保持要素により、動かないように固定して端部要素に取り付けられているとよい。カメラシステムは、複数の光学マーカ、及び／又は端部要素、及び／又は工具を光学的に検出することができるように位置決めされていることが好ましい。
【００２５】
従って、特に、端部要素又は端部要素のハウジングに光学測定システムを取り付けることが考えられ得る。この場合に、特に、光学マーカは、工作機械の作業環境内に、及び／又は工作機械の構成要素に取り付けられる。例えば、次のことが考えられ得る。即ち、工作機械の少なからぬ構成要素、例えば端部要素が、例えば特定の加工ステップごとに交換されることである。この場合に、例えば光学測定システムは、工作機械の交換されるべきでない／残っている構成要素に、例えば工作機械の締め付け面に取り付けられるとよい。この場合に、光学マーカは、例えば、その端部要素（又は、それらの端部要素）又は端部要素ハウジングに取り付けられているとよい。
【００２６】
本方法の他の実施形態では、光学マーカが、工作機械の構成要素及び／又は工作物に配置される。
【００２７】
本方法は、端部要素に対する工作物及び／又は構成要素の相対的な位置を検出するのに、特に有利である。工作機械の構成要素は、特に、工作物のための締め付け手段、及び／又は工作機械の締め付けテーブル、及び／又は工作機械の締め付け面、及び／又は工作機械の機械構造部を含むことができる。
【００２８】
本方法の他の実施形態では、複数の光学マーカの少なくとも３つの光学マーカが、工作機械の構成要素の１つ又は工作物に取り付けられる。
【００２９】
本方法は、工作物及び／又は構成要素の相対位置をできるだけ高い精度で検出するのに、特に有利である。工作機械の構成要素は、特に、このために、複数の光学マーカを検出する際に、或る１つの構成要素又は工作物の少なくとも３つの光学マーカが、光学測定システムによって検出される。
【００３０】
本方法の他の実施形態では、作業環境内の光学マーカに基づいて第１の空間的位置を決定する。更に、端部要素について第２の空間的位置を決定し、第１の空間的姿勢を決定する際に、第２の空間的位置及び／又は第１の空間的位置を考慮する。
【００３１】
本方法は、工作物及び／又は構成要素の位置をできるだけ高い精度で検出するのに、特に有利である。第２の空間的位置は、例えば光学測定システムの既知の位置であってよい。特に、第２の空間的位置は、光学測定システムによっても、次により、即ち、光学測定システムが、例えば位置決定のための位置モジュールを含み、かつ第２の空間的位置が必要に応じて読み出されることにより、決定することができる。特に、第２の空間的位置は、光学測定システムによっても、次により、即ち、光学測定システムが、例えば工具位置を、特に光学的な検出を介して決定することにより、決定することができる。このためには、例えば、工具が保持される工具ホルダに、他の光学マーカが取り付けられているとよい。
【００３２】
本方法の他の実施形態では、工作物と、検出される複数の光学マーカとの間に、第１の可動軸があり、第１の相対姿勢を決定する際に考慮される位置情報が、第１の軸内センサモジュールによって決定される。
【００３３】
本方法は、例えば工作物の直接の視覚的検出が可能でなく、特に空間的な位置決定も可能でない状況において、工作物及び／又は構成要素の位置をできるだけ高い精度で検出するのに、特に有利である。そのような状況は、例えば、工作物が加工ステップにおいて部分的に端部要素の工具によって覆い隠されていて、そのことによって、特に、工作物の光学マーカが光学測定システムによって検出できない場合に生じる。更に、例えば工作物上に、工作物が例えば非常に熱いために、光学マーカを全く取り付けることができないこともあり得る。
【００３４】
本方法の他の実施形態では、端部要素を制御する際に第２の可動軸が制御され、第２の可動軸により端部要素が工作機械に配置されている。
【００３５】
本方法は、第１の相対姿勢を補正することを、従って第１の相対姿勢を特にできるだけ基準姿勢に一致させることを、できるだけ簡単に行うのに、特に有利である。特に産業用ロボットの場合、例えば第１の補正値を各関節において考慮することができたであろう。とりわけ、これはかなり高価である。というのは、例えば、産業用ロボットの比較的複雑な運動モデルをしばしば新たに算定しなければならないからである。この実施形態の本発明による方法により、第１の補正値を、特に（第２の）可動軸においてのみ考慮し、従って特に複雑なモデル算定を放棄することができる。
【００３６】
本方法の他の実施形態では、光学測定システムが端部要素に堅固に結合されている。
【００３７】
本方法は、光学測定システムの望ましくない位置変化を防止するのに、特に有利である。このためには、測定システムは、動かないように、又は固定されて、あるいは動かないように固定されて端部要素に結合されていることが好ましい。
【００３８】
本方法の他の実施形態では、端部要素が工具に堅固に結合されているか、又は工具が第３の可動軸を介して端部要素に結合されており、第３の可動軸が、特に一方向に移動可能である。
【００３９】
本方法は、例えば端部要素と工具との間に存在する不正確さを補償するのに、特に有利である。このためには、例えば端部要素および工具の簡単化されたモデルが算定されるとよく、そのモデルは、これらの不正確さを補償するために、不正確さ、即ち基準位置又は他の基準姿勢からの誤差を考慮する。誤差又は不正確さは、例えば、同様に、とりわけ、付加的な光学マーカを有する光学測定システムによって算定することができるし、あるいは端部要素内の、例えば工具のための工具ホルダ内の他のセンサモジュールによって算定することができる。簡単化されたモデル、例えば産業用ロボットの運動モデルは、例えば第３の可動軸が好ましくは一方向にのみ移動可能であり、それにより、例えば比較的簡単な運動がモデル化されるという趣旨で簡単化される。
【００４０】
本方法の他の実施形態では、光学測定システムにより、工作機械による工作物の加工終了後に、工作物の第１のジオメトリ値を検出し、第１のジオメトリ値および予め与えられたジオメトリ値に基づいて、第２の補正値を算定し、第２の補正値を、次の工作物のための第１の補正値を決定する際に考慮する。
【００４１】
本方法は、工作物を加工する際に精度を高めるのに、特に有利である。特に、この測定時に、高次のジオメトリ特徴を１つの測定サイクルにおいて検出し、それによって、例えば、個々の点のサンプリングに比べて、著しく高い測定速度を達成することができる。特に、各工作物のための測定は、予め設定された個数の工作物が作製された後に、又は予め設定された時点で行うとよい。
【００４２】
本方法の他の実施形態では、第１の補正値により、工作機械及び／又は端部要素が、工作物としての患者の体内又は身体表面の決められた部位に突き当たるように制御される。
【００４３】
本方法は、特に工作物、例えば患者の体内又は体表面の決められた部位としての工作物に確実に端部要素を突き当て、又は接近させ、医師の負担、例えばルーチン作業の負担を軽減するのに、特に有利である。このような状況では、例えば患者の動きを考慮して、特に医師に対して、例えばディスプレイ装置において、例えば患者の位置が変化したことを指摘するために、第１の補正値及び／又は第２の補正値は、できるだけ連続的に、例えば、好ましくはできるだけ短い予め定められた時間インターバルで、決定される。これは、例えば、特に僅かな誤差が望ましくない結果を招く、例えば、特に麻痺をもたらす神経損傷を招く、極めて重要な手術の場合である。
【００４４】
他の観点によれば、本発明は、コンピュータ支援により工作機械の端部要素を制御する制御装置に関し、この制御装置は、
工作機械の作業環境内の複数の光学マーカを検出するための光学測定システムと、
検出された複数の光学マーカに基づいて端部要素と工作物との間の第１の相対姿勢を決定すると共に、第１の相対姿勢と基準姿勢との比較に基づいて第１の補正値を決定するための第１の算定モジュールと、
第１の補正値を考慮して、工作物を加工する端部要素を制御するための第１の制御モジュールと、
を有する。
【００４５】
制御装置の他の実施形態では、制御装置は、本発明による方法の実施形態の１つを実行するように構成されている少なくとも１つの他のモジュール又は複数のモジュールを含む。
【００４６】
他の観点によれば、本発明は、
コンピュータ支援により制御できる端部要素と、
複数の光学マーカと、
工作機械の作業環境内の複数の光学マーカを検出するための光学測定システムと、
工作機械の端部要素をコンピュータ支援により制御するための本発明による制御装置と、
を有する工作機械に関する。
【００４７】
工作機械の第１の実施形態では、工作機械が、光学測定システムが複数の光学マーカを検出するためのカメラシステムを含む。
【００４８】
工作機械は、例えば光学マーカの空間的位置又は端部要素内の工具の位置を検出するのに、特に有利である。このためには、カメラシステムは、特に、少なくとも１つ第１カメラモジュール及び／又は少なくとも１つの第２のカメラモジュールを含む。光学測定システム、例えばカメラシステム、特に第１カメラシステム及び／又は第２のカメラシステムは、例えば、保持要素により端部要素に堅固に結合されているか、又は保持要素により動作環境内の支持体上に堅固に結合されているとよい。特に、カメラシステムは、保持要素により、動かないように固定して端部要素に取り付けられているとよい。カメラシステムは、複数の光学マーカ及び／又は端部要素及び／又は工具を光学的に検出することができるように位置決めされていることが好ましい
【００４９】
工作機械の他の実施形態では、光学測定システムが端部要素に固定結合されている。
【００５０】
工作機械の他の実施形態では、端部要素が工具に堅定に結合されているか、又は工具が第３の可動軸を介して端部要素に接続されており、第３の可動軸が、特に一方向に移動可能である。
【００５１】
工作機械の他の実施形態では、工作機械が、本発明による方法の実施形態の１つを実行するように構成されている少なくとも１つの他のモジュール又は複数のモジュールを含む。
【００５２】
更に、上述の本発明による方法を実行するためのコンピュータプログラム製品が請求されており、このコンピュータプログラム製品により、いずれの場合にも本発明による方法を実行することができる。
【００５３】
更に、例えば３Ｄプリンタのような作成機器、又は、プロセッサ及び／又は装置を構築するための作成機器を構成設定するためのプログラム命令を含むコンピュータプログラム製品の変形形態が請求されており、作成機器は、プログラム命令により、上述の本発明による工作機械及び／又は制御装置を構築するように構成設定される。
【００５４】
更に、コンピュータプログラム製品を記憶及び／又は提供するコンピュータプログラム製品を、記憶するか、提供するか、又は、記憶し提供するデータ媒体である。代替及び／又は追加として、提供装置は、例えば、コンピュータプログラム製品を好ましくはデータ流の形で記憶し又は提供する、あるいは記憶し提供するネットワークサービス、コンピュータシステム、サーバシステム、特に分散コンピュータシステム、クラウドベースのコンピュータシステム及び／又は仮想コンピュータシステムである。
【００５５】
この提供は、例えば、完全なコンピュータプログラム製品のプログラムデータブロック及び／又は命令データブロックの形でのダウンロードとして、好ましくはファイルとして、特にダウンロードファイルとして、又はデータ流として、特にダウンロードデータ流として行われる。しかし、この提供は、例えば部分ダウンロードとして行うこともでき、この部分ダウンロードは、複数の部分からなり、特にピアツーピアネットワークを介してダウンロードされるか、又はデータ流として提供される。このようなコンピュータプログラム製品は、例えばデータ媒体の形の提供装置を用いてシステム内に読み込まれ、プログラム命令を実行に移し、それによって、本発明による方法がコンピュータ上で実行されるか、又は、作成機器が、本発明による工作機械及び／又は制御装置を構築するように構成設定される。
【００５６】
以下において、この発明の上述の特性、特徴および利点ならびにこれらを達成する方法を明確にわかりやすくするために、図面を参照して実施例を更に詳細に説明する。
【図面の簡単な説明】
【００５７】
【図１】図１は本発明による方法を概略的に示すフローチャートである。
【図２】図２は本発明による工作機械の他の実施例を概略的に示す図である。
【図３】図３は本発明による工作機械の他の実施例を概略的に示す図である。
【図４】図４は本発明による制御装置の他の実施例を概略的に示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００５８】
これらの図において、機能的に同じ要素は、ほかに何も指定していない場合には、同じ符号を付されている。
【００５９】
以下の実施例は、他に言及していない、又は既に言及していない限り、方法をインプリメント又は実行するために、少なくとも１つのプロセッサ及び／又は少なくとも１つのメモリ装置を有する。
【００６０】
図１は、本発明による方法の第１の実施例のフローチャートを示す。
【００６１】
図１は、コンピュータ支援により工作機械の端部要素を制御するための方法を詳細に示し、この方法は、光学測定システムにより、工作機械の作業環境内の複数の光学的マーカを検出する第１の方法ステップ２１０を有する。
【００６２】
本方法は、複数の検出された光学的マーカに基づいて、端部要素と工作物との間の第１の相対姿勢を決定する第２の方法ステップ２２０を含む。
【００６３】
本方法は、第１の相対姿勢と基準姿勢との比較に基づいて、第１の補正値を決定する第３の方法ステップ２３０を含む。
【００６４】
本方法は、第１の補正値を考慮して、工作物を加工するための端部要素を制御する第４の方法ステップ２４０を含む。
【００６５】
他の好ましい変形形態では、プロセッサが、特に、次のように構成されている。即ち、本発明による方法又は本発明による方法のステップの少なくとも１つをインプリメントするべく、プログラム命令を実行するように、つまりプロセッサが機能を実行するように、構成されている。
【００６６】
図２は、本発明による工作機械の他の実施例を示す。
【００６７】
図２は、少なくとも３つの制御可能な自由度を有する工作機械を詳細に示す。
【００６８】
工作機械は、複数の構成要素、例えば、（カメラベースの）光学測定システム、構造部分１０１、（可動）締め付けテーブル１０２、締め付け面１０３、端部要素、第１のカメラホルダ１０６、第２のカメラホルダ１０７、工作物１１１を固定するための締め付け手段１１０、工具ホルダ１１２および工具１１３を含む。付加的に、多数の光学マーカ１１４が工作機械の構成要素又は工作物１１１に取り付けられている。端部要素は工具スピンドルハウジング１０４及び／又は工具スピンドル１０５を含む。
【００６９】
工作機械は、例えば付加的になおも１つの他の構成要素又は複数の他の構成要素、例えばプロセッサ、メモリユニット、入力装置（特にコンピュータキーボード又はコンピュータマウス）、又はモニタを含むことができる。
【００７０】
工作機械の運動学は、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸に沿った相対並進を可能にし、また任意選択的にＡ軸、Ｂ軸、Ｃ軸の周りの回転を可能にする。工具１１３と工作物１１１との間の第１の相対姿勢の間接的な、とりわけ軸一体型の測定が、好ましくは光学測定システムに関して交換又は補足され、光学測定システムは第１の相対姿勢を直接的に決定する。光学測定システムは、少なくとも２つのディジタルカメラモジュール、例えば第１のカメラモジュール１０８および第２のカメラモジュール１０９を含む。
【００７１】
第１のカメラモジュール１０８は、例えば第１の保持手段、例えば第１のカメラホルダ１０６を介して、工作機械の端部要素、例えば工具スピンドル１０５又は工具スピンドルハウジング１０４に結合されている。
【００７２】
第２のカメラモジュール１０９は、例えば第２の保持手段、例えば第２のカメラホルダ１０７を介して工作機械の端部要素、例えば工具スピンドル１０５又は工具スピンドル１０４に結合されている。
【００７３】
工具スピンドル１０５は、工具１１３を受け入れるための工具ホルダ１１２を含む。カメラモジュール１０８，１０９と、工具１１３との間には、工具スピンドル１０５を除けば、他の可動軸が全くないことが好ましい。
【００７４】
工作物１１１は、例えば締め付け手段１１０、例えば万力を介して、締め付け面１０３上に固定され、又は取り付けられる。締め付けテーブル１０２は、他の可動軸を介して、機械構造体１０１に結合されているとよい。
【００７５】
工作機械の作業環境およびその隣接領域に、光学マーカ１１４が分布している。光学マーカは、工作物１１１の上に、締め付け手段１１０の上に、締め付け面１０３、締め付けテーブルおよび機械構造体の上に取り付けられているとよい。
【００７６】
工作物１１１又は端部要素と工具１１３との間の相対姿勢を決定するために、少なくとも２つのカメラモジュール１０８、１０９の視野内に、工作機械の構成要素自体又は工作物１１１に取り付けられている少なくとも３つの光学マーカがあることが好ましい。例えば、測定される光学マーカ１１４と工作物１１１との間に、第１の可動軸がある場合に、工作物１１１と工具１１３又は端部要素との間の第１の相対姿勢を決定するために、これらの軸の軸一体型センサモジュールが一緒に使用される。
【００７７】
変形形態において、上述の試みは、他のセンサ、例えば工具スピンドルハウジング１０４に配置された振動センサによって補足することができる。種々のセンサデータの統合によって、例えば複数の振動センサの振動センサデータと、光学測定システムによって検出される光学マーカの光学的なセンサデータとの統合によって、特に、高周波振動も良好に検出することができ、従って高周波振動を作業精度向上のために使用することができる。
【００７８】
図３は、本発明による工作機械の他の実施例を示す。
【００７９】
図３は、産業用ロボットシステムを詳細に示す。産業用ロボットシステムは、複数の構成要素を含む。これらの構成要素は、例えば、ロボット１２０、端部要素、光学測定システム、締め付けテーブル１０２、締め付け面１０３、締め付け手段１１０、工具ホルダ１１２、フライス工具１１３、ロボット１２０の支持台１２１、端部要素におけるロボットフランジ１２２、そして締め付けテーブル１０２の固定の取り付け部１３０である。付加的に、多数の光学マーカ１１４ａ，１１４ｃが工作機械の構成要素に、及び／又は多数の光学マーカ１１４ｄが固定の工作物１１１ａに、及び／又は多数の光学マーカ１１４ｂが可動の工作物１１１ｂに、取り付けられている。端部要素は、工具スピンドルハウジング及び／又は工具スピンドル１０５を含む。ロボット１２０は、複数の可動軸、例えば第２の可動軸Ａ２、第４の可動軸Ａ４、第５の可動軸Ａ５、第６の可動軸Ａ６、第７の可動軸Ａ７および第８の可動軸Ａ８を含む。端部要素は、ロボットフランジ１２２および第２の可動軸Ａ２により、ロボットに取り付けられている。
【００８０】
産業用ロボットシステムは、例えば、付加的に更に１つの又は複数の構成要素含むことができ、例えば、プロセッサ、メモリユニット、入力装置（特に、コンピュータキーボード又はコンピュータマウス）、又はモニタを含むことができる。
【００８１】
この実施例において、光学測定システムは、第１の視野１０８ａを有する第１のカメラモジュール１０８と、第２の視野１０８ｂを有する第２のカメラモジュール１０９とから構成されており、これらのカメラモジュールは端部要素、例えば工具スピンドルハウジングに、動かないように堅く固定されている。
【００８２】
工具スピンドル１０５は、工具１１３を受け入れるために、工具ホルダ１１２を含む。カメラモジュール１０８，１０９と工具１１３との間には、工具スピンドル１０５を除いて、他の可動軸が全くないことが好ましい。
【００８３】
固定の工作物１１１ａは、例えば、締め付け手段１１０、例えば万力を介して、締め付け面１０３に固定又は取り付けられている。
【００８４】
工作機械の作業環境およびその隣接領域には、光学マーカ１１４ａ，１１４ｂ，１１４ｃ，１１４ｄが分布させられている。光学マーカ１１４ａ，１１４ｂ，１１４ｃ，１１４ｄは、固定の工作物１１１ａの上に、及び／又は可動の工作物の上に、及び／又は締め付け手段１１０の上に、及び／又は締め付け面１０３の上に、及び／又は締め付けテーブル１０２の上に、及び／又は固定した部分１３０の上に、取り付けられているとよい。
【００８５】
工作物、例えば固定の工作物１１１ａ又は可動の工作物１１１ｂと、端部要素又は工具１１３との間の相対姿勢を決定するためには、工作機械の構成要素自体又は工作物１１１ａ，１１１ｂに取り付けられている少なくとも３つの光学マーカが、少なくとも２つのカメラモジュール１０８，１０９の視野内にあることが好ましい。例えば、測定される光学マーカ１１４と工作物１１１ａ，１１１ｂとの間に第１の可動軸がある場合には、これらの軸の軸一体型のセンサモジュールが、工作物１１１と工具１１３又は端部要素との間の相対姿勢を決定するために一緒に使用される。
【００８６】
１つの変形形態において、上述の方法は、例えば工具スピンドルハウジング１０４に配置された振動センサに関して、他のセンサによって補足することができる。種々のセンサデータ、例えば複数の振動センサの振動センサデータと、光学測定システムによって検出される光学マーカの光学的なセンサデータとの統合によって、特に、高周波振動も、良好に検出することができ、従って作業精度向上のために使用することができる。
【００８７】
図４は、本発明による制御装置の他の実施例を示す。
【００８８】
図４は、工作機械の端部要素のコンピュータ支援により制御するための制御装置を詳細に示す。
【００８９】
制御装置は、光学測定システム４１０、第１の算定モジュール４２０、第２の制御モジュール４３０および任意的な第１の通信インターフェース４０４を有し、これらは、第１のバス４０５を介して、互いに情報伝達可能に接続されている。第１の通信インターフェースは、例えば、１つの工作機械に１つのコミュニケーションバスを介して接続されている。
【００９０】
制御装置は、例えば付加的に更に１つの他の構成要素又は複数の他の構成要素、例えばプロセッサ、メモリユニット、入力装置（特に、コンピュータキーボード又はコンピュータマウス）、又はモニタを含むことができる。その（又はそれらの）適切な構成要素は、例えば、第１のバス４０５を介して、制御装置の異なるモジュールに情報伝達可能に接続されているとよい。
【００９１】
光学測定システム４１０は、工作機械の作業環境内の複数の光学マーカを検出するように構成されている。
【００９２】
光学測定システム４１０は、例えば、プロセッサ、メモリユニット、１つ又は複数のカメラモジュールおよび第１のプログラムコンポーネントにより実現することができ、これらは、例えば、プログラム命令の実行によって、光学マーカが検出されるように１つ又は複数のカメラモジュールを制御する。
【００９３】
第１の算定モジュール４２０は、端部要素と１つの工作物との間の第１の相対姿勢を、複数の検出された光学マーカに基づいて決定するように構成されている。
【００９４】
更に、第１の算定モジュール４２０は、第１の相対姿勢と基準姿勢との比較に基づいて第１の補正値を決定するように構成されている。
【００９５】
第１の算定モジュール４２０は、例えば、プロセッサ、メモリユニットおよび第２のプログラムコンポーネントを用いてインプリメントすることができ、これらは、例えばプログラム命令の実行によって、相対姿勢及び／又は第１の補正値を決定する。
【００９６】
第１の制御モジュール４３０は、第１の補正値を考慮することにより、工作物を加工するための端部要素を制御するように構成されている。
【００９７】
第１の制御モジュール４３０は、例えば、プロセッサ、メモリユニットおよび第３のプログラムコンポーネントを用いて実施することができ、これらは、例えばプログラム命令の実行によって、第１の補正値を考慮して端部要素を制御する。
【００９８】
本発明の細部を実施例によって詳細に説明したが、本発明は開示した例に限定されず、本発明の保護範囲を逸脱することなく、当業者により異なった変形形態を導き出すことができる。
【符号の説明】
【００９９】
１０１      構造部分
１０２      締め付けテーブル
１０３      締め付け面
１０４      工具スピンドルハウジング
１０５      工具スピンドル
１０６      カメラホルダ
１０７      カメラホルダ
１０８      カメラモジュール
１０８ａ    第１の視野
１０９      カメラモジュール
１０９ａ    第２の視野
１１０      締め付け手段
１１１      工作物
１１１ａ    固定の工作物
１１１ｂ    可動の工作物
１１２      工具ホルダ
１１３      工具
１１４      光学マーカ
１１４ａ    光学マーカ
１１４ｂ    光学マーカ
１１４ｃ    光学マーカ
１１４ｄ    光学マーカ
１２０      ロボット
１２１      基台
１２２      ロボットフランジ
１３０      取り付け部
２１０      複数の光学マーカを検出するステップ
２２０      第１の相対姿勢を決定するステップ
２３０      第１の補正値を決定するステップ
２４０      端部要素を制御するステップ
４０４      通信インターフェース
４０５      バス
４１０      光学測定システム
４２０      算定モジュール
Ａ１〜Ａ８  可動軸
【図１】
2019526127.tif 000003
【図２】
2019526127.tif 000004
【図３】
2019526127.tif 000005
【図４】
2019526127.tif 000006
【手続補正書】
【提出日】平成31年3月7日(2019.3.7)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
コンピュータ支援により工作機械の端部要素を制御する方法であって、
光学測定システム（４１０）により、工作機械の作業環境内の複数の光学マーカ（１１４）を検出するステップ（２１０）と、
検出された複数の光学マーカ（１１４）に基づいて、前記端部要素と工作物（１１１，１１１ａ，１１１ｂ）との間の第１の相対姿勢を決定するステップ（２２０）と、
前記第１の相対姿勢と基準姿勢との比較に基づいて、第１の補正値を決定するステップ（２３０）と、
前記第１の補正値を考慮して、前記工作物（１１１，１１１ａ，１１１ｂ）を加工するための前記端部要素を制御するステップ（２４０）と、
を有する方法。
【請求項２】
前記複数の光学マーカ（１１４）が、カメラシステムを有する前記光学測定システム（４１０）によって検出される、請求項１記載の方法。
【請求項３】
前記光学マーカが、前記工作機械の構成要素及び前記工作物の少なくとも一方に配置される、請求項１又は２記載の方法。
【請求項４】
前記複数の光学マーカ（１１４）の少なくとも３つの光学マーカが、前記工作機械の構成要素の１つ又は前記工作物（１１１，１１１ａ，１１１ｂ）に取り付けられる、請求項１から３のいずれか１項に記載の方法。
【請求項５】
前記作業環境内の前記光学マーカに基づいて第１の空間的位置を決定し、
前記端部要素について第２の空間的位置を決定し、
前記第１の空間的姿勢を決定する際に、前記第２の空間的位置及び前記第１の空間的位置の少なくとも一方を考慮する、請求項１から４のいずれか１項に記載の方法。
【請求項６】
前記工作物（１１１，１１１ａ，１１１ｂ）と、前記検出される複数の光学マーカ（１１４）との間に、第１の可動軸があり、
前記第１の相対姿勢を決定する際に考慮される位置情報が、第１の軸内センサモジュールによって決定される、請求項１から５のいずれか１項に記載の方法。
【請求項７】
前記端部要素を制御する際に、第２の可動軸（Ａ２）が制御され、前記第２の可動軸（Ａ２）により前記端部要素が工作機械に配置されている、請求項１から６のいずれか１項に記載の方法。
【請求項８】
前記光学測定システムが前記端部要素に堅固に結合されている、請求項１から７のいずれか１項に記載の方法。
【請求項９】
前記端部要素が工具に堅固に結合されているか、又は工具が第３の可動軸を介して前記端部要素に結合されており、前記第３の可動軸が、一方向に移動可能である、請求項１から８のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１０】
前記光学測定システムにより、前記工作機械による前記工作物（１１１，１１１ａ，１１１ｂ）の加工終了後に、前記工作物（１１１，１１１ａ，１１１ｂ）の第１のジオメトリ値を検出し、
前記第１のジオメトリ値および予め与えられたジオメトリ値に基づいて、第２の補正値を算定し、
前記第２の補正値を、次の工作物のための前記第１の補正値を決定する際に考慮する、請求項１から９のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１１】
前記第１の補正値により、前記工作機械及び前記端部要素の少なくとも一方が、前記工作物としての患者の体内又は身体表面の決められた部位に突き当たるように制御される、請求項１から１０のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１２】
コンピュータ支援により工作機械の端部要素を制御する制御装置であって、
前記工作機械の作業環境内の複数の光学マーカを検出する光学測定システム（４１０）と、
前記検出された複数の光学マーカ（１１４）に基づいて前記端部要素と工作物（１１１，１１１ａ，１１１ｂ）との間の第１の相対姿勢を決定すると共に、前記第１の相対姿勢と基準姿勢との比較に基づいて第１の補正値を決定する第１の算定モジュール（４２０）と、
前記第１の補正値を考慮して、前記工作物（１１１，１１１ａ，１１１ｂ）を加工するための端部要素を制御する第１の制御モジュール（４３０）と、
を有する、制御装置。
【請求項１３】
コンピュータ支援により制御可能である端部要素と、
複数の光学マーカ（１１４）と、
請求項１２記載の制御装置と、
を有する工作機械。
【請求項１４】
前記光学測定システム（４１０）が、前記複数の光学マーカ（１１４）を検出するためのカメラシステムを含む、請求項１３記載の工作機械。
【請求項１５】
前記光学測定システム（４１０）が前記端部要素に堅固に結合されている、請求項１３又は１４記載の工作機械。
【請求項１６】
前記端部要素が工具に堅固に結合されているか、又は前記工具が第３の可動軸を介して前記端部要素に結合されており、前記第３の可動軸が一方向に移動可能である、請求項１３から１５のいずれか１項に記載の工作機械。
【請求項１７】
請求項１から１１のいずれか１項に記載の方法を実行するためのプログラム命令を含んだコンピュータプログラム製品。
【請求項１８】
請求項１２記載の制御装置および請求項１３から１６のいずれか１項に記載の工作機械のうちの少なくとも一方を構築するようにプログラム命令により構成設定される作成機器のためのプログラム命令を含むコンピュータプログラム製品。
【請求項１９】
請求項１７又は１８記載のコンピュータプログラム製品のための提供装置であって、
前記コンピュータプログラム製品を記憶するか、提供するか、又は、記憶し提供する、提供装置。
【国際調査報告】
2019526127.tif 000007
2019526127.tif 000008
2019526127.tif 000009
2019526127.tif 000010
2019526127.tif 000011
2019526127.tif 000012